探討機械工程的可靠性優(yōu)化設計

【摘 要】就過去的機械工程優(yōu)化設計來看，較少會參考可靠性指標，這就導致無法真實反映出機械工程產(chǎn)品的可靠性；就可靠性的設計方法而言，通常不會將機械產(chǎn)品的體積、重量和成本等納入考慮范圍。并且不少機械工程在進行方案設計的過程中，只對可靠性或優(yōu)化方面的設計加以考慮，這樣最終的設計效果就比較不理想。所以，在機械工程的設計中需要可靠性和優(yōu)化設計進行綜合考慮并且有機結合二者的優(yōu)勢，如此才能獲得理想化的設計效果。

【關鍵詞】機械工程；可靠性；優(yōu)化設計

引言

可靠性研究最早開始于四十年代針對電子產(chǎn)品故障的研究，經(jīng)過多年的積累與發(fā)展，電子產(chǎn)品可靠性技術體系已獲得完善并逐漸成熟起來。電子產(chǎn)品的可靠性水平日益提高，并具備豐富的工程經(jīng)驗和巨大的數(shù)據(jù)資源。近些年來，可靠性技術也逐漸應用于機械領域，并發(fā)揮著重要的作用。機械系統(tǒng)越來越復雜，對于其可靠性的要求也逐步提高，尤其是在軍用裝備和航空領域，對于機械可靠性的要求更加嚴格，并成為系統(tǒng)可靠性中較為薄弱的環(huán)節(jié)。為此，非常有必要研究機械的可靠性，從而推動科技的進步與發(fā)展。對于復雜機械產(chǎn)品來說，其可靠性受到多種因素的影響，如使用條件、使用環(huán)境、維修方法、人為因素等等，屬于可修復的人機系統(tǒng)。

一、機械可靠性設計的概述

作為最主要和最重要的技術指標，可靠性是評判產(chǎn)品質量好壞的關鍵因素，并逐漸成為工程領域普遍關注的焦點。機械可靠性貫穿于從產(chǎn)品的設計研發(fā)到裝配調試的各個環(huán)節(jié)，可靠性是在概率統(tǒng)計的理論基礎上發(fā)展起來的，加強機械可靠性設計的推廣和應用，對于提高產(chǎn)品質量、降低成本有著非常重要的意義。隨著可靠性技術的創(chuàng)新與發(fā)展，其設計方式也越來越豐富，呈多樣化的趨勢發(fā)展。數(shù)學模型法是在可靠性設計中應用得較為廣泛的一種方式，基于實驗所獲得的數(shù)據(jù)，并充分利用了概率統(tǒng)計的原理。數(shù)學模型法可以劃分為兩部分，其中一部分所涉及的量在時間范疇內具有可靠性質，換句話說，即所涉及的量是遵循一定的規(guī)律的，隨著時間的變動，其疲勞壽命和損耗也將在一定的范圍內產(chǎn)生變動。另外一部分為偶然因素所引發(fā)的事件結果的可靠性，偶然因素所導致的波動是不定期出現(xiàn)的，具有不確定性，一般來說，需要利用概率可靠性來對隨機事件進行計算。

二、機械工程產(chǎn)品的可靠性優(yōu)化設計現(xiàn)狀分析

因為我國存在的歷史方面的原因比較特殊，相比較西方一些發(fā)達國家的機械制造業(yè)而言，我們還相對比較落后，特別是關于可靠性設計的研究，存在十分明顯的落后情況。一直到上世紀80年代，對于機械工程的可靠性研究，我國才有了一定的研究成果，在個別特殊的行業(yè)還有專門研究可靠性優(yōu)化設計的組織和團體陸續(xù)成立，而且還將一大批可靠性的優(yōu)化設計技術人才培養(yǎng)了出來，將一整套的標準制定出來，以規(guī)范可靠性優(yōu)化設計?？傮w看來，之前進行的可靠性優(yōu)化設計研究對理論更為側重，然而在具體的生產(chǎn)實踐中卻很少應用理論，就這方面來看，相比較有著發(fā)達制造業(yè)的國家，其存在的不足還有很多。

三、可靠性優(yōu)化設計

1、可靠性優(yōu)化設計的基本理論

任何機械產(chǎn)品，從最初的產(chǎn)品設計、方案的確定，到付諸于生產(chǎn)制造、產(chǎn)品檢驗，都需要一個周期。先進科學技術廣泛應用于機械領域，以及新材料、新工藝、新設備的采用，機械產(chǎn)品的設計和制造無論從產(chǎn)品質量還是生產(chǎn)周期上都產(chǎn)生了質的飛躍。新知識、新思路、新理念的應用，為機械設計注入了新鮮的血液，也使得滿足人們對于產(chǎn)品的日益提高的要求成為可能。隨著時代的發(fā)展，社會的進步，人們對于產(chǎn)品的質量、性能、服務的要求日益提升，傳統(tǒng)的設計方法和設計理念已不能適應現(xiàn)實的要求。同時，出于經(jīng)濟的考慮，所要求的產(chǎn)品設計周期也逐漸縮短，設計強度加大，在這種形勢下，提高設計的質量，實現(xiàn)可靠性優(yōu)化設計變得更加重要。在進行機械設計時，必須綜合考慮各種影響因素，如產(chǎn)品的使用價值、力學性能、生產(chǎn)成本等。此外，生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)能力和管理水平也是不容忽視的會影響到產(chǎn)品質量的因素之一。當前，如何提高設計質量、發(fā)展設計理論、提升設計水平、縮短設計周期，已經(jīng)成為機械設計領域中廣大設計人員共同面對的課題。

上個世紀60年代，機械優(yōu)化設計獲得了最廣闊的發(fā)展。在這一時期，計算機技術和數(shù)學規(guī)劃有機的結合起來，推動了機械優(yōu)化設計向更高的層次發(fā)展。優(yōu)化設計的方法被廣泛應用于工程設計領域，并伴隨著計算機技術的飛速發(fā)展和數(shù)學規(guī)劃理念的不斷成熟，發(fā)揮著越來越重要的作用，取得了令人矚目的成果。具體來講，所謂可靠性優(yōu)化設計主要包含三個方面，即產(chǎn)品的質量、成本和可靠度?？煽啃詢?yōu)化設計從系統(tǒng)的、整體的角度對產(chǎn)品的可靠度進行分析，并對其性能進行約束與優(yōu)化，在確保產(chǎn)品性能和質量的前提下，將產(chǎn)品的合理性和安全性有機結合，從而使得產(chǎn)品的可靠度實現(xiàn)最大化。通過可靠性優(yōu)化設計，在滿足產(chǎn)品可靠性的同時，還使得能源以及資源獲得充分的利用，避免了能源和資源的不合理使用及浪費現(xiàn)象。采用可靠性優(yōu)化設計所生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，具有體積小、質量輕的特點，并使用節(jié)能材料，順應當前可持續(xù)發(fā)展和保護環(huán)境的趨勢。對機械產(chǎn)品進行優(yōu)化設計的根本宗旨，即為了滿足安全的需要或者為了實現(xiàn)特定的預期點，通過最優(yōu)化的方式，對產(chǎn)品進行處理。在進行優(yōu)化設計時，需要考慮多種因素給產(chǎn)品性能帶來的影響，其中需要注意的兩點即結構參數(shù)以及各種載荷的隨機性。

2、近年來可靠性優(yōu)化設計發(fā)展

近年來，高新科技不斷融入機械設計領域，許多現(xiàn)代化的設計方法和設計理念應運而生，可靠性設計和優(yōu)化設計也獲得了飛速的發(fā)展。然而從設計的角度來看，可靠性設計和優(yōu)化設計是設計的兩個不同方面，而對于機械產(chǎn)品的設計來說，如果單純的考慮其中的一個方面是無法達到設計要求的。這就需要在實際的設計工作中，將兩者相結合，從而發(fā)揮其潛在的巨大作用?？煽啃栽O計不同于優(yōu)化設計，可靠性設計是以產(chǎn)品的可靠性為設計宗旨的，因此設計的結果并非其工作性能或參數(shù)的最佳點。此外，優(yōu)化設計有別于可靠性設計，優(yōu)化設計并不考慮產(chǎn)品的可靠性，因此有可能導致事故，造成經(jīng)濟損失。另外，單純的優(yōu)化設計也無法保證產(chǎn)品在特定的時間和條件下達到預期的功能或目的。

機械產(chǎn)品的結構通常都比較復雜，所涉及到的設計參數(shù)也非常多，而單純的可靠性設計并不十分適用于多個設計參數(shù)的系統(tǒng)設計。因此，在進行可靠性優(yōu)化設計時，要分清設計的重點以及明確設計的步驟，在保證機械產(chǎn)品可靠性的前提下，實現(xiàn)產(chǎn)品工作性能和設計參數(shù)的最優(yōu)化，只有這樣，才能設計出既滿足可靠性又符合最優(yōu)化性能的機械產(chǎn)品，實現(xiàn)產(chǎn)品性能與成本的統(tǒng)一。

3、關于可靠性的穩(wěn)健設計

產(chǎn)品質量是企業(yè)贏得用戶的關鍵因素。任何一種產(chǎn)品，它的總體質量一般可分為用戶質量和技術質量。前者是指用戶所能感受到、見到、觸到或聽到的體現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)劣的一些質量特性；后者是指產(chǎn)品在優(yōu)良的設計和制造質量下達到理想功能的穩(wěn)健性。穩(wěn)健設計作為一種低成本和高質量的設計思想和方法，對產(chǎn)品性能、質量和成本綜合考慮，選擇出最佳設計，不僅可以提高產(chǎn)品的質量，而且可以降低成本。在機械產(chǎn)品設計中，正確地應用穩(wěn)健設計的理論與方法可以使產(chǎn)品在制造和使用中，或是在規(guī)定的壽命期間內當設計因素發(fā)生微小變化時都能保證產(chǎn)品質量的穩(wěn)定。

四、關于可靠性設計的發(fā)展方向

可靠性存在于產(chǎn)品的整個使用階段，如今的該項設計主要是用到產(chǎn)品最初設計以及后續(xù)生產(chǎn)和隨后的維護等層面中。

1、機械產(chǎn)品的設計

該項設計涵蓋了整機以及部件兩類設計。對于前者來講，可以把它當成是一個總的體系來設計，其方式有如下的兩個類型。首先是結合部件的穩(wěn)定性預測內容，分析體系的穩(wěn)定性指標，即我們講到的可靠性預測，只有結局合乎指標的規(guī)定就行，假如無法合乎規(guī)定的話就要按照第二類措施來開展工作。這種措施是對零件進行分配，也就是說把體系指標均攤到所有的零件上，可靠性分配方法主要有等分配法、再分配法、比例分配法和綜合評分分配法四種。在設計的時候，要使用標準件，通常的零件可以按照類比措施來設計，關鍵的部件則要按照概率措施來設計。要對可靠性多次的評審，一直到其合乎規(guī)定才可以。除此之外，還應該開展人機體系設計工作。

2、生產(chǎn)過程中的可靠性設計

該時期的設計是確保產(chǎn)品品質優(yōu)秀的重點，除了要選取穩(wěn)定性優(yōu)秀的設備之外，還要注重方案以及步驟的設計工作。工藝步驟本身就可被看成是一個體系，所有的方案工序都可被當成是一個小的體系。在進行這些小體系的設計的時候要全方位的分析到機械以及工藝物質和工作者的素養(yǎng)等等方面的要素，明確出可靠性指標，進而結合體系間的關聯(lián)得到預測可靠度。

3、使用維修的可靠性設計

產(chǎn)品以可靠性為中心維修應采用邏輯分析決斷法，科學地制定維修內容和優(yōu)選維修方式，合理確定使用期，以控制機械設備使用的可靠性。機械產(chǎn)品的可維修性與可靠性一樣，其是機械設備本身的一個可靠性指標。在對產(chǎn)品進行可靠性設計時就要考慮其維修性，使設計的產(chǎn)品在使用過程中做到故障易發(fā)現(xiàn)、易檢查、易修復，力求防患于未然。對產(chǎn)品進行維修性設計時要以最低的費用來維護和提高設備的可靠性水平，盡量減少排除故障所用的維修時間。因此，要在可靠性理論的基礎上制定合理、經(jīng)濟的維修規(guī)則，采用先進的故障診斷技術和合理的維修方式（如視情維修方法、監(jiān)控事后維修方法），使用標準的維修工具及設備，提高維修人員的技術水平，使機械維修工作進一步走向科學化和現(xiàn)代化。

結束語

在進行機械設計時，設計人員應根據(jù)實際情況在滿足機械可靠性的前提下，實現(xiàn)產(chǎn)品最優(yōu)化的目標。充分發(fā)揮可靠性設計和優(yōu)化設計的巨大潛力，達到產(chǎn)品最佳點以及最可靠點?？煽啃詢?yōu)化設計具有先進性和實用性的特點，在機械設計領域的應用也越來越廣泛，在提升產(chǎn)品質量的同時還帶來了巨大的經(jīng)濟效益，其發(fā)展的前景十分廣闊。

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